(57)【要約】  冷却プレートを用いてガス分配アセンブリを冷却するための装置及び方法。冷却プレートは、上面、外周部、中心、内側ゾーン及び外側ゾーンを有する本体を有する。複数のチャンネルが上面を介して形成される。複数のチャンネルは、１以上の第１外側チャンネルセグメントを有し、第１冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第１外側チャンネルと、第１外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第１内側チャンネルセグメントを有し、第２冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に流し、隣接するセグメント内のフローは反対方向となるように構成された第１内側チャンネルを有する。
2019537267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却プレートであって、
上面と、外周部と、中心と、内側ゾーンと、外側ゾーンを有する本体と、
本体の上面を介して本体内に形成された複数のチャンネルであって、
１以上の第１外側チャンネルセグメントと、冷却流体入口と、外周部に近接して配置された冷却流体出口とを有し、第１冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第１外側チャンネルと、
第１外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第１内側チャンネルセグメントと、内側冷却流体入口と、内側冷却流体出口を有し、第２冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に流し、隣接するセグメント内のフローは反対方向となるように構成された第１内側チャンネルを有する複数のチャンネルを有する冷却プレート。
【請求項２】
複数のチャンネルのうちの第１チャンネルは、
複数の溝と、
溝を分離する複数のフィンを含む請求項１記載の冷却プレート。
【請求項３】
複数の溝は、第１溝、第２溝、及び第３溝を含む請求項２記載の冷却プレート。
【請求項４】
チャンネルは、
１以上の第２外側チャンネルセグメントと、冷却流体入口と、外周部に近接して配置された冷却流体出口とを有し、第３冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第２外側チャンネルと、
第２外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第２内側チャンネルセグメントと、内側冷却流体入口と、内側冷却流体出口を有し、第４冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に流し、隣接するセグメントと内のフローは反対方向となるように構成された第２内側チャンネルを有する請求項１記載の冷却プレート。
【請求項５】
第１内側チャンネルと第２内側チャンネルは二重螺旋を形成する請求項４記載の冷却プレート。
【請求項６】
第１外側チャンネルと第２外側チャンネルは二重螺旋を形成する請求項５記載の冷却プレート。
【請求項７】
第１内側チャンネルの入口は中心に近く、チャンネル内の冷却流体は外部冷却チャンネルに向かって出口に流れ、第２内側チャンネルは外側冷却チャンネルに近接する入口から冷却プレートの中心付近の出口に流れる請求項５記載の冷却プレート。
【請求項８】
ガス分配アセンブリであって、
ガス分配プレートと、
下面と上面とを有するシャワーヘッドと、
ガス分配プレートをシャワーヘッドの下面に取り付けるクランプリングと、
シャワーヘッドの上面の上方に配置されたガス分配アセンブリと、シャワーヘッドに対向して冷却プレートに配置されたカバープレートの温度を維持するための冷却プレートであって、
上面と、外周部と、中心と、内側ゾーンと、外側ゾーンを有する本体と、
本体の上面を介して本体内に形成された複数のチャンネルであって、
１以上の第１外側チャンネルセグメントと、冷却流体入口と、外周部に近接して配置された冷却流体出口とを有し、第１冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第１外側チャンネルと、
第１外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第１内側チャンネルセグメントと、内側冷却流体入口と、内側冷却流体出口を有し、第２冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に第２冷却流体を流し、隣接するセグメント内の第１及び第２冷却流体のフローは反対方向となるように構成された第１内側チャンネルを有する複数のチャンネルを有する、ガス分配アセンブリ。
【請求項９】
複数のチャンネルのうちの第１チャンネルは、
複数の溝と、
溝を分離する複数のフィンを含む請求項８記載のガス分配アセンブリ。
【請求項１０】
複数の溝は、第１溝、第２溝、及び第３溝を含む請求項９記載のガス分配アセンブリ。
【請求項１１】
フィンが本体の上面まで延在する請求項１０記載のガス分配アセンブリ、又は請求項３記載の冷却プレート。
【請求項１２】
第１チャンネルを包囲するカバープレートと、
フィンとカバープレーの間に形成された間隙を有する請求項１０記載のガス分配アセンブリ、又は請求項３記載の冷却プレート。
【請求項１３】
チャンネルは、
１以上の第２外側チャンネルセグメントと、冷却流体入口と、外周部に近接して配置された冷却流体出口とを有し、第３冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第２外側チャンネルと、
第２外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第２内側チャンネルセグメントと、内側冷却流体入口と、内側冷却流体出口を有し、第４冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に流し、隣接するセグメントと内のフローは反対方向となるように構成された第２内側チャンネルを有する請求項８記載のガス分配アセンブリ。
【請求項１４】
第１内側チャンネルと第２内側チャンネルは二重螺旋を形成し、第１外側チャンネルと第２外側チャンネルは二重螺旋を形成する請求項１３記載のガス分配アセンブリ。
【請求項１５】
冷却プレートを用いてガス分配アセンブリを冷却するための方法であって、
冷却プレートの第１位置で第１外側チャンネルに冷却流体を流すステップと、
冷却流体を第２位置で第２外側チャンネルに流すステップであって、第１及び第２外側チャンネル内のフローは、チャンネルが互いに隣接しているときに反対方向に流れるステップと、
冷却流体を第３位置で第３内側チャンネルに流すステップであって、第３内側チャンネルは第１及び第２外側チャンネの組み合わせにより囲まれるステップと、
冷却流体を第４位置で第４内側チャンネルに流すステップであって、第１及び第２内側チャンネル内のフローは互いに独立して制御可能であり、隣接する他の全てのチャンネルとは反対方向であり、冷却流体は第３内側チャンネル及び第４内側チャンネル内で二重螺旋状に流れ、第１内側チャンネルは外周部及び冷却プレートに向かって流れ、第２内側チャンネルは冷却プレートの中心に向かって流れる、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景】
【０００１】
（分野）
本開示は、概して、処理チャンバ用のシャワーヘッドアセンブリの冷却プレートに関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
半導体産業では、デバイスは、多くの製造プロセス（例えば、エッチング及び堆積等）により製造され、絶えず減少するサイズで構造を製造している。デバイスの幾何学的形状が縮小するにつれ、プロセス制御がチャンバコンポーネントと更には基板に亘って変化するので、欠陥に対する感受性が増大する。益々小型化する欠陥のないデバイスの製造は、基板が処理されるプラズマ処理チャンバ内で用いられるプラズマの良好な均一性に依存する。従って、デバイス形状が縮小するにつれ、基板に亘るプロセスパラメータの均一性は、基板上のデバイスの製造にとって重要になる。
【０００３】
シャワーヘッドアセンブリは、処理ガスを処理チャンバ内に導入し、基板処理のためにガスからのプラズマを維持する。現在のシャワーヘッドアセンブリは、特に低電力負荷で、温度均一性の仕様を満たすことができないことが多い。従来のシャワーヘッドアセンブリの不均一な温度は、堆積された基板フィルムに対して半径方向プロファイル変動をもたらす。
【０００４】
プラズマ処理の均一性を促進するための改良されたシャワーヘッドが必要とされている。
【概要】
【０００５】
冷却プレートを用いてガス分配アセンブリを冷却するための装置及び方法。冷却プレートは、上面、外周部、中心、内側ゾーン及び外側ゾーンを有する本体を有する。複数のチャンネルが上面を介して形成される。複数のチャンネルは、１以上の第１外側チャンネルセグメントを有し、第１冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口まで流すように構成された第１外側チャンネルと、第１外側チャンネルと中心の間に配置され、１以上の第１内側チャンネルセグメントを有し、第２冷却流体を冷却流体入口から冷却流体出口に流すように構成され、隣接するセグメント内のフローは反対方向となる第１内側チャンネルを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示の上記の構成を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約された本開示のより詳細な説明を実施形態を参照することにより行う。実施形態の幾つかは添付図面に示される。しかしながら、添付図面は本開示の例示的な実施形態のみを示し、従って本開示の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、本開示は他の同等に有効な実施形態に適用され得ることに留意すべきである。
【図１】ガス分配アセンブリを有する半導体処理チャンバの一実施形態の断面図である。
【図２】一実施形態による図１のガス分配アセンブリの斜視分解概略図である。
【図３】一実施形態によるガス分配アセンブリで用いることができる冷却プレートの上面図である。
【図４】第２実施形態によるガス分配アセンブリで用いることができる冷却プレートの上面図である。
【図５Ａ】〜
【図５Ｋ】冷却プレートに形成された冷却チャンネルの代替例を示す図である。
【図６Ａ】〜
【図６Ｄ】２つ以上の溝を有する冷却プレート内の単一のチャンネルの例示的な断面図を示す。
【図７】冷却プレートでガス分配アセンブリを冷却する方法を示す図である。
【０００７】
理解を容易にするために、可能な場合には、図面に共通する同一要素を示すために同一の参照番号が用いられる。一実施形態の要素及び構成は、更に詳述することなく他の実施形態に有益に組み込まれてもよいと考えられる。
【詳細な説明】
【０００８】
本開示の実施形態は、概して、異なる熱負荷要件でプラズマ処理性能を向上させるためのシャワーヘッド内の冷却プレートに関する。冷却プレートに形成される冷却チャンネルは、フロー調整能力のための半径方向分割、最適熱伝導のためのカウンタフロー作用、及び熱伝導面積を最大化するための回転楕円体を組み込む。有利なことに、シャワーヘッドのガス分配プレートに亘る温度均一性は、従来のシャワーヘッドよりも約±３℃、又は約８５％向上した。更に、冷却プレートの全体の厚さは、より良好な熱的性能を提供しながら、従来の冷却プレートよりも減少した。改善された冷却プレートの能力は、異なる熱負荷要件を有するプラズマ処理エッチングプラットフォーム上での性能を向上させる。本明細書に開示される冷却プレートの実施形態は、独立して利用されてもよく、又は一緒に利用されてもよく、シャワーヘッド内の改善された熱分布及び均一性を達成し、基板の処理均一性を改善する。
【０００９】
図１は、ガス分配アセンブリ１３０を有する半導体処理チャンバ１００の一実施形態の断面図である。処理チャンバ１００は、内部容積１０６を囲むチャンバ本体１０２と蓋１０４を含む。
【００１０】
チャンバ本体１０２は、通常、アルミニウム、ステンレス鋼、又は他の適切な材料から製造される。チャンバ本体１０２は、一般に、側壁１０８と底部１１０とを含む。基板アクセスポート（図示せず）は一般に側壁１０８内に画定され、スリットバルブにより選択的に封止され、処理チャンバ１００からの基板１４４の出入りを容易にする。
【００１１】
外側ライナ１１６は、チャンバ本体１０２の側壁１０８に対して又はその上に配置することができる。外側ライナ１１６は、酸化アルミニウムから製造することができ、及び／又は、プラズマ又はハロゲン含有ガス耐性材料（例えば、イットリア、イットリア合金又はそれらの酸化物、例えば、Ｙ２Ｏ３）でコーティングすることができる。
【００１２】
排気口１２６がチャンバ本体１０２内に画定され、内部容積１０６をポンプシステム１２８に結合する。ポンプシステム１２８は、一般に、処理チャンバ１００の内部容積１０６を排気し、圧力を調整するために用いられる１以上のポンプ及びスロットルバルブを含む。一実施形態では、ポンプシステム１２８は内部容積１０６内の圧力を維持する。
【００１３】
蓋１０４は、チャンバ本体１０２の側壁１０８上に気密的に支持されている。蓋１０４は、処理チャンバ１００の内部容積１０６にアクセスできるように開口することができる。追加的に、蓋１０４は光学プロセスモニタリングを容易にするための窓１４２を含むことができる。一実施形態では、窓１４２は石英又は他の適切な材料からなり、光学モニタリングシステム１４０により用いられる信号の伝送を可能にする。
【００１４】
ガスパネル１５８が処理チャンバ１００に結合され、内部容積１０６に処理ガス及び／又は洗浄ガスを提供する。処理ガスの例は、ハロゲン含有ガス（例えば、とりわけ、Ｃ２Ｆ６、ＳＦ６、ＳｉＣｌ４、ＨＢｒ、ＮＦ３、ＣＦ４、Ｃｌ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、及びＳｉＦ４）、並びに他のガス（Ｏ２又はＮ２Ｏ等）を含む。キャリアガスの例は、Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、プロセスに対して不活性な他のガス、及び非反応性ガスを含む。入口ポート１３２‘、及び任意選択的に１３２’’が蓋１０４に設けられ、ガスをガスパネル１５８からガス分配アセンブリ１３０を介して処理チャンバ１００の内部容積１０６に送ることを可能にする。
【００１５】
基板支持アセンブリ１４８が、処理チャンバ１００の内部容積１０６内でガス分配アセンブリ１３０の下に配置されている。基板支持アセンブリ１４８は、処理中に基板１４４を保持する。エッジ堆積リング１４６が上部に基板１４４を受容するような大きさに形成され、基板支持アセンブリ１４８をプラズマ及び堆積材料から保護する。内側ライナ１１８は、基板支持アセンブリ１４８の周囲にコーティングされてもよい。内側ライナ１１８は、外側ライナ１１６に使用される材料と実質的に同様のハロゲン含有耐ガス材料であってもよい。 一実施形態では、内側ライナ１１８は外側ライナ１１６と同じ材料から製造することができる。
【００１６】
一実施形態では、基板支持アセンブリ１４８は、取付板１６２と、ベース１６４と、静電チャック１６６を含む。取付板１６２は、チャンバ本体１０２の底部１１０に結合される。チャンバ本体１０２は、ユーティリティ（とりわけ、例えば、流体、電力ライン、センサリード等）をベース１６４及び静電チャンク１６６にルーティングするための経路を含む。
【００１７】
ベース１６４又は静電チャック１６６のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの任意選択の埋設ヒータ１７６及び複数の導管１７０を含み、基板支持アセンブリ１４８の横方向の温度プロファイルを制御することができる。導管１７０は流体源１７２に流体的に結合され、それを介して温度調節流体を循環させる。ヒータ１７６は電源１７８により調整される。導管１７０及びヒータ１７６はベース１６４の温度を制御するために用いられ、これにより静電チャック１６６を加熱及び／又は冷却する。
【００１８】
静電チャック１６６は、チャッキング電源１８２を用いて制御される少なくとも１つのクランプ電極１８０を含む。更に、電極１８０は整合回路１８８を介して１以上のＲＦ電源１８４に結合され、処理チャンバ１００内で処理及び／又は他のガスからのプラズマを維持する。ＲＦ電源１８４は、一般に、約５０ｋＨｚ〜約３ＧＨｚの周波数と最大約１０，０００ワットの電力を有するＲＦ信号を生成することができる。
【００１９】
ガス分配アセンブリ１３０は、蓋１０４の内面１１４に結合される。ガス分配アセンブリ１３０は、ガス分配プレート１９４を有する。ガス分配アセンブリ１３０は、蓋１０４とガス分配プレート１９４の間に画定されたプレナム１２７を有する。ガス分配プレート１９４は、伝導性ベースプレート１９６に結合されるか、又はそれを有することができる。伝導性ベースプレート１９６は、ＲＦ電極として作用することができる。ガス分配プレート１９４は、基板１４４に面するガス分配プレート１９４の下面に形成された複数の開口部１３４を有する平坦なディスクであってもよい。開口部１３４は、処理チャンバ１００内で処理される基板１４４の表面に亘って所定の分布で、ガスが入口ポート１３２（１３２‘、１３２’‘として示される）からプレナム１２７を介して、開口部１３４を出て、処理チャンバ１００の内部容積１０６に流れることを可能にする。内部容積１０６に入るガスはＲＦ電極により励起され、処理チャンバ１００の内部容積１０６内にプラズマを維持することができる。
【００２０】
図２は、一実施形態による図１のガス分配アセンブリ１３０の斜視分解概略図である。ガス分配アセンブリ１３０は、クランプリング２７０と、ガス分配プレート２６０（図１のアイテム１９４）と、シャワーヘッド２４０を有する。また、ガス分配アセンブリは、ガス分配アセンブリ１３０の温度を維持するための冷却プレート２１０を有する。
【００２１】
クランプリング２７０はガス分配プレート（ＧＤＰ）２６０の周りに配置され、ガス分配アセンブリ１３０に固定されたＧＤＰ２６０を保持することができる。ＧＤＰ２６０は、複数のガス通路（図示せず）を有することができる。ガスパネル１５８からガス分配アセンブリ１３０に入るガスは、ガス通路を介して内部容積部１０６内に供給され、ここでガスは励起されプラズマを形成することができる。ＧＤＰ２６０は、シリコン（Ｓｉ）又はプラズマ環境への曝露に適した他の材料から形成することができる。一実施形態では、流体封止シールを形成するために、クランプリング２７０とＧＤＰ２６０の間にシールを配置することができる。
【００２２】
ＧＤＰ２６０は、基板１４４に面するガス分配アセンブリ１３０の下面に形成された複数の開口部１３４（図２には図示せず）を有する平坦な円板であってもよい。開口部１３４は、処理チャンバ１００内で処理される基板１４４の表面に亘って所定の分布で、ガスがガスパネル１５８から開口部１３４を出て処理チャンバ１００の内部容積１０６に流れることを可能にする。ＧＤＰ２６０は、ハロゲン含有ケミストリに対する耐性を提供するセラミック材料（例えば、炭化ケイ素、バルクイットリウム又はそれらの酸化物等）から製造することができる。一実施形態では、ＧＤＰ２６０はシリコン（Ｓｉ）から形成される。
【００２３】
熱ガスケット２５０を、ＧＤＰ２６０とシャワーヘッド２４０の間に配置することができる。熱ガスケット２５０は、約１ｍｍ以下の厚さを有する薄肉ガスケットであってもよい。熱ガスケット２５０は、約１０Ｗ／ｍ・Ｋの熱係数Ｋを有することができる。熱ガスケット２５０は、ＧＤＰ２６０とシャワーヘッド２４０の間に気密シールを形成することができる。熱ガスケット２５０は、１以上の同心リング２５２内に形成することができる。熱ガスケット２５０の同心リング２５２は、シャワーヘッド２４０とＧＤＰ２６０の間の流体経路が封鎖されず、その間の気密シールが維持されるように、即ち、ガスがＧＤＰ２６０とシャワーヘッド２４０の間から逃げないように配置される。
【００２４】
シャワーヘッド２４０は、複数のプレナム２４２を有することができる。プレナム２４２は、シャワーヘッド２４０の中心の周りに同心円状に配置することができる。一実施形態では、複数のプレナム２４２の各々は、隣接する又は他のプレナム２４２から流体的に隔離される（即ち、ガスはプレナム間を流れない）。従って、各プレナムは、独立して制御され、これにより、１のプレナム内のガス圧力は独立しているか、又は更には他のプレナム２４２内のガス圧力と異なることができる。第２実施形態では、２以上のプレナム２４２を互いに流体的に結合することができ、プレナム２４２に入るガスをそれらの間で共有することができる。例えば、第１及び第２プレナムを流体的に結合することができ、これにより、第１プレナム内の圧力が第２プレナム内の圧力と実質的に同じになる。
【００２５】
追加的に、シャワーヘッド２４０は、内部に配置された１以上のヒータを有することができる。ヒータ（図２には図示せず）は、リング（図６Ａ〜図６Ｄに図示）として形成することができる。リングは、プレナム２４２内に、又はそれに近接して配置することができる。プラズマ電力がないとき、ヒータはシャワーヘッド２４０又はプレナム２４２内のガスの温度を加熱することができる。
【００２６】
１以上のシム２２０を冷却プレート２１０とシャワーヘッド２４０の間に配置することができる。例えば、第１シム２２０及び第２シム２３０を重ねることにより、熱バリア及び厚さを得ることができる。シムの各々のセット、例えばシム２２０は、１以上のリング２２１、２２２を有することができる。第１シム２２０のリング２２１、２２２は、冷却プレート２１０とシャワーヘッド２４０の間に隣接して重ねられたシム２３０のリング２３１、２３１と一致しても、しなくてもよい。第１シム２２０及び第２シム２３０は、共に、又は組み合わせで、約１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率（ｋ）と、約０．２５ｍｍの厚さｔを有することができる。
【００２７】
冷却プレート２１０は、本体と、その内部に形成された複数のチャンネル２１２を有する。冷却プレート２１０は、アルミニウム、ステンレス鋼、又は他の適切な材料により製造することができる。冷却プレート２１０は、約１．５インチ〜約０．５インチの厚さを有することができる。チャンネル２１２のレイアウトは、より良好な熱性能を提供しつつ、従来の設計よりも冷却プレート２１０の厚さを減少させた。また、ガス分配アセンブリ１３０は、冷却プレート２１０の上方に配置されたカバープレート（図６で符号６６６として示される）を有する。カバープレート６６６は、冷却プレート２１０内のチャンネル２１２をシールし、チャンネル２１２内に冷却流体を保持する。
【００２８】
冷却流体は、チャンネル２１２を通って流れ、ガス分配アセンブリ１３０の温度を維持することができる。チャンネル２１２は、ゾーン流速調整能力、即ち個々の半径方向ゾーン内の冷却流体を制御する能力を可能にする複数のゾーンを備えた半径方向セグメントであってもよい。隣接するチャンネル２１２は、熱伝導及び温度均一性を向上させるため、冷却流体を反対方向に流すように構成される。例えば、１のチャンネル２１２に入る冷却流体は、冷却流体の熱吸収のために、冷却流体がチャンネル２１２を出るときよりも低温になる。隣接するチャンネル内の冷却流体の逆流は、隣接するチャンネル２１２内のより低い温度で１つのチャンネル内の追加温度を補償して、冷却プレート２１０に亘る温度の均一性を助ける。更に、チャンネル２１２は、球状、即ち、同心円状又は螺旋形に配置され、熱伝導のための表面積を最大にする。更に、チャンネル２１２の断面は、追加のフィン及び高アスペクト比（幅に対する高さ（深さ））により最適化されており、これについては図６Ａ〜図６Ｄを参照して以下で説明する。
【００２９】
図３は、一実施形態によるガス分配アセンブリ１３０に用いることができる冷却プレート３００の上面図である。第１冷却プレート３００は、第１外側チャンネル３４０と、第２外側チャンネル３６０と、第１内側チャンネル３７０と、第２内側チャンネル３９０を有する。第１外側チャンネル３４０は、実質的に、第１冷却プレート３００内のユーティリティ及び他の接続を収容するための偏差を備えた第２外側チャンネル３６０の鏡像であってもよい。同様に、第１内側チャンネル３７０は、第２内側チャンネル３９０の鏡像であってもよい。第１外側チャンネル３４０と第２外側チャンネル３６０との組み合わせは、第１内側チャンネル３７０と第２内側チャンネル３９０の両方を囲む。第１外側チャンネル３４０及び第２外側チャンネル３６０の各々は、外側ゾーン３０６において別々に制御される。追加的に、第１内側チャンネル３７０及び第２内側チャンネル３９０のフローは内側ゾーン３０８において別々に制御され、ガス分配アセンブリ１３０の横方向温度制御を強化する。
【００３０】
各々のチャンネル２１２は、冷却流体がチャンネル２１２に入る各々の冷却流体入口３２０を有する。追加的に、各々のチャンネル２１２は、冷却流体がチャンネル２１２及び第１冷却プレート３００から離れる各々の冷却流体出口３１０を有する。一実施形態では、第１外側チャンネル３４０及び第２外側チャンネル３６０の各々の冷却流体入口３２０は互いに隣接し、各々の冷却流体出口３１０に隣接して配置される。第２実施形態では、第１外側チャンネル３４０の冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０は、第２外側チャンネル３６０の冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０から遠位に、即ち、冷却プレート３００の第１内側チャンネル３７０及び第２内側チャンネル３９０から離れたサイドに配置される。
【００３１】
冷却流体は、各々のチャンネル２１２の経路に沿って、矢印で示される方向に、冷却流体入口３２０から冷却流体出口３１０へと流れる。第１冷却プレート３００の各々のチャンネル２１２内の冷媒のフローは、隣接するチャンネル２１２内のフローの反対方向に流れる。例えば、第２外側チャンネル３６０の第１レッグ３８０内の冷却流体のフローは、隣接する第２内側チャンネルの第１レッグ３５０及び第２外側チャンネル３６０の第２レッグ３８２内の流体の流れとは反対方向である。
【００３２】
一例では、冷却流体は、冷却プレート３００の外周部３０５に続く第１レッグ３８０に沿って第２外側チャンネル３６０の冷却流体入口３２０に入り、外周部３０５に向かって外側に延び、第２レッグ３８２に続くリターンベント３８３に向かい、流体出口３１０に向かう。従って、第２外側チャンネル３６０は、２つの隣接するアークに沿って延び、冷却流体出口３１０で停止する場所の直ぐに隣接する冷却流体入口３２０で流体のフローが始まる。第１外側チャンネルは、形状及びフロー経路において第２外側チャンネルの鏡像であってもよい。代替的に、第１外側チャンネル３４０及び第２外側チャンネル３６０の形状は鏡像であるがフローは鏡像ではなく、即ち、冷却流体入口３２０は内側チャンネル３９０、３７０に亘って離れて位置する。追加的又は任意選択的に、第１外側チャンネル３４０は、配管を容易にするために、その中に平坦部３４１を有することができる。
【００３３】
第１内側チャンネル３７０及び第２内側チャンネル３９０は、形状及びフローにおいて鏡面であってもよい。代替的に、第１内側チャンネル３７０及び第２内側チャンネル３９０は、形状が鏡面であるが、フローにおいて鏡面でなくてもよく、即ち、第１内側チャンネル３７０はフロー方向に反転し、これにより、冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０が反転する。第１内側チャンネル３７０は、第２セグメント３７２まで外側に延びる第１セグメント３７１を有し、第２セグメントは、一連のアーク、即ち、第１アーク３７３、第２アーク３７４、及び第３アーク３７５まで続くと説明することができる。アークは、第１アーク３７３、第２アーク３７４、及び第３アーク３７５の各々を規定する３つの別々の半径を有する。半径は合同ではなく、第１冷却プレート３００の中心３０１と対向するアークのサイドに配置される原点を有する。第１アーク３７３、第２アーク３７４、及び第３のアーク３７５は、全体で、第１アーク３７３の始まりから第３アーク３７５の終わりまで、中心３０１に対して１８０°を形成する。第３アーク３７５から第３セグメント３７６に沿って続く第１内側チャンネル３７０は第２セグメント３７２と実質的に同一直線上にあり、第４セグメント３７７を介して冷却流体出口３１０まで延びる。
【００３４】
第１冷却プレート３００は既存のハードウェア上に容易に後付けされる。中央の高い部分から均一な部分を経て端部の高い部分へのプラズマ熱負荷変動の影響は、内側ゾーン３０８と外側ゾーン３０６において、第１外側チャンネル３４０、第２外側チャンネル３６０、第１内側チャンネル３７０、第２内側チャンネル３９０間の冷却流体の相対的なフローを独立して調整することにより制御可能である。
【００３５】
図４は、第２実施形態によるガス分配アセンブリ１３０に用いることができる冷却プレート４００の上面図である。第２冷却プレート４００は、第１外側チャンネル４４０と、第２外側チャンネル４６０と、第１内側チャンネル４８０と、第２内側チャンネル４９０を有する。第１外側チャンネル４４０、第２外側チャンネル４６０、第１内側チャンネル４８０、及び第２内側チャンネル４９０は、冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０を有し、冷却プレート３００と同様に、冷却流体フローを内部に提供する。第１外側チャンネル４４０と第２外側チャンネル４６０との組み合わせは、第１内側チャンネル４８０と第２内側チャンネル４９０の両方を囲む。
【００３６】
第２冷却プレート４００の第１外側チャンネル４４０は、第１冷却プレート３００の第１外側チャンネル３４０と実質的に同様であってもよい。第２冷却プレート４００の第２外側チャンネル４６０は形状は実質的に同様であるが、第１冷却プレート３００の第２外側チャンネルの反転であってもよい。即ち、第２外側チャンネル４６０の冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０は、第１外側チャンネル４４０の冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０から遠位に位置する。
【００３７】
第１内側チャンネル４８０の冷却流体入口３２０は、冷却プレート４００の外周部４０５に近接していてもよい。追加的に、第１内側チャンネル４８０の冷却流体入口３２０は、第２内側チャンネル４８０の冷却流体入口３２０に近接してもよい。第１内側チャンネル４８０の冷却流体出口３１０は、冷却プレート４００の中心４０１に近接していてもよい。第１内側チャンネル４８０は、減少する半径を有する螺旋形として形成されてもよい。螺旋の半径は、時計回り又は反時計回りに減少してもよい。一実施形態では、第１内側チャンネル４８０は時計方向に内向きに螺旋状になっている。
【００３８】
第２内側チャンネル４９０の冷却流体入口３２０は、冷却プレート４００の外周部４０５に近接していてもよい。追加的に、第２内側チャンネル４９０の冷却流体入口３２０は、第１チャンネル４９０の冷却流体入口３２０に近接していてもよい。第２内側チャンネル４９０の冷却流体出口３１０は、冷却プレート４００の中心４０１に近接し、中心４０１を介して第１内側チャンネル４８０の冷却流体出口３１０と対向していてもよい。第２内側チャンネル４９０は減少する半径を有する螺旋状に形成することができる。螺旋形の半径は、時計回り又は反時計回りに減少してもよい。一実施形態では、第２内側チャンネル４９０は時計方向に内向きに螺旋状になっている。
【００３９】
第１内側チャンネル４８０と第２内側チャンネル４９０は、互いに同心円状に螺旋状になっており、二重螺旋を形成している。内側チャンネル４８０、４９０のための同心状螺旋形は、内側ゾーン４９４内でより広いカバレージエリアを提供する。
【００４０】
冷却プレート２１０、３００、４００に関して上述したガス分配アセンブリ１３０内の温度変動を低減し、温度を下げるためのアプローチは、他の実施形態に更に拡張することができる。冷却プレートの更なる実施形態は、半径方向セグメンテーション、ゾーン流速調整能力のためのデュアルゾーンチャンネル設計、温度非対称性に対処するためのカウンタフロー、熱伝導をための表面積を最大化するための同心又は螺旋チャンネル、及び図６Ａ〜図６Ｄに関して以下で論じる最適化されたチャンネル断面を含む。より効率的な冷却チャンネル設計を採用することは、熱付加が増加により、ガス分配アセンブリ１３０内の温度をより良好に制御することを可能にする。加えて、中央の高い部分から均一な部分と経て端部の高い部分へのプラズマ熱負荷変動の制御効果は、内側ゾーン３０８と外側ゾーン３０６とで別々にチャンネルフィローを調整することにより得ることができる。更に、この設計コンセプトは、半径方向の温度均一性のためゾーンフローの制御と調整が重要である他のチャンバに応用することができる。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｋは、上述の冷却プレート２１０（例えば、冷却プレート４００）の代替的なチャンネル設計の例を示す。チャンネル２１２は、図５Ａ〜図５Ｋ全体を通して白丸として表される冷却流体出口３１０を有する。また、チャンネル２１２は、図５Ａ〜図５Ｋ全体を通して黒丸として表される冷却流体入口３２０を有する。冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０の間の図中の流れの方向は更に矢印で示されている。追加的に、冷却プレート２１０は、外周部５１５と、内側ゾーン５１０と、外側ゾーン５２０を有する。
【００４２】
図５Ａは、チャンネル２１２が冷却プレート２１０の第１部分と、分離している第２部分とに同心アーク状に配置されている実施形態を示す。冷却プレート２１０は８個の独立したチャンネル２１２を有し、各々のチャンネルは隣接チャンネルの方向と反対の方向に流れている。独立制御チャンネル２１２は冷却プレート２１０に亘って熱勾配を制御し、ガス分配アセンブリ１３０に亘ってより均一な温度を形成する。
【００４３】
図５Ｂは、チャンネル２１２が同心円状に配置された他の実施形態を示す。冷却プレート２１０は４個の独立したチャンネル２１２を有し、各チャンネルは隣接するチャンネルの方向と反対の方向に流れる。冷却チャンネル２１２はより少ない冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０を有し、実施形態を実施するための配管及び制御要件を最小限に抑える。
【００４４】
図５Ｃは、チャンネル２１２が同心円状に配置された他の実施形態を示す。冷却プレート２１０は４個の独立したチャンネル２１２を有し、チャンネル２１２の各々の部分は隣接するチャンネルのセクションとは反対方向に流れる。冷却プレート２１０は、冷却プレートの内側部分でより長いチャンネル２１２の利益を享受し、ガス分配アセンブリ１３０に亘って温度均一性のより良好な制御が可能になる。
【００４５】
図５Ｄは、チャンネル２１２が同心円状に配置された他の実施形態を示す。冷却プレート２１０は２つの独立したチャンネル２１２を有し、各チャンネルは隣接するチャンネルの方向と反対の方向に流れる。各チャンネル２１２は他のチャンネルの内側に螺旋し、二重螺旋を形成する。この実施形態は、外側ゾーン５２０に２つの外側チャンネル２１２を有し、第１チャンネル５０１は内側に流れる流体を有し、第２チャンネル５０２は外側に流れる流体を有する。同様に、内側ゾーン５１０内の２つのチャンネル２１２は反対方向に流れ、第３チャンネル５０３は内側に流れ、第４チャンネル５０４は外側に流れる。同心螺旋チャンネル２１２は、各々のチャンネルが隣接するチャンネル２１２と反対方向に流れることにより熱伝導のための表面積を最大にする。
【００４６】
図５Ｅは、チャンネル２１２が直線状に配置されている他の実施形態を示す。冷却プレート２１０は５つの独立したチャンネル２１２を有し、チャンネル２１２の各々の部分は隣接するチャンネルの部分とは反対方向に流れる。各々のチャンネル２１２は、第１セクション５３８と、第１セクション５３８とは反対方向に流れる第２セクション５３７と、第１部分５３８と実質的に同様の流れ方向を有する第３セクションを有することができる。冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０は冷却プレート２１０の外周部５１５に沿って配置される。冷却流体入口３２０は冷却プレート２１０の第１ハーフ５３１に配置され、冷却流体出口３１０は冷却プレートの第２ハーフ５３２に配置される。冷却プレートは冷却プレート２１０の内側部分でのより長いチャンネル２１２の利益を享受し、ガス分配アセンブリ１３０に亘る温度均一性のより良好な制御を可能にする。
【００４７】
図５Ｆは、チャンネル２１２が同心円状に配置される他の実施形態を示す。チャンネル２１２は、冷却プレート２１０の外側ゾーン５２０上で同心アーク状に、且つ内側ゾーン５１０上で二重螺旋として配置される。チャンネル２１２は、冷却流体出口３１０と、冷却流体入口３２０を有する。冷却プレート２１０は６個の独立したチャンネル２１２を有し、４個が外側ゾーン５２０内にあり、２つが内側ゾーン５１０内にある。各チャンネル２１２は、隣接するチャンネルとは反対方向に流れる。
【００４８】
図５Ｇは、チャンネル２１２が同心円状に配置される他の実施形態を示す。チャンネル２１２は、２７０°を超える長さを有する直列の４個の同心アークに配置される。各チャンネル２１２の冷却流体出口３１０は、そのチャンネルの冷却流体入口３２０に隣接している。各チャンネル２１２は、隣接チャンネルとは反対方向に流れる。
【００４９】
図５Ｈは、チャンネル２１２が同心円状に配置される他の実施形態を示す。外側ゾーン５２０内の４個のチャンネル２１２は同心アークに配置される。外側ゾーン５２０内の各々のチャンネル２１２の冷却流体入口３２０は、冷却流体出口３１０から遠位に配置される。内側ゾーン５１０は２つのチャンネル２１２を有する。各チャンネル２１２は、隣接チャンネルとは反対方向に流れる。
【００５０】
図５Ｉは、チャンネル２１２が同心円状に配置される他の実施形態を示す。外側ゾーン５２０内の４個のチャンネル２１２は同心アークに配置される。外側ゾーン５２０内の各々のチャンネル２１２の冷却流体入口３２０は、冷却流体出口３１０から遠位に位置する。内側ゾーン５１０は２つのチャンネル２１２を有する。内側ゾーン５１０内の各々のチャンネル２１２は、外周部に向かって延びる４個のローブと、冷却プレート２１０の中心に近接して配置される冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０を有する。各チャンネル２１２は、隣接するチャンネルとは反対の方向に流れる。
【００５１】
図５Ｊは、チャンネル２１２が直線状に配置される他の実施形態を示す。冷却プレート２１０は、隣接するチャンネルとは反対方向に流れる７つの独立したチャンネル２１２を有する。冷却流体入口３２０及び冷却流体出口３１０は、冷却プレート２１０の外周部５１５に沿って配置される。冷却プレートはより短い長さのチャンネル２１２の利益を享受し、ガス分配アセンブリ１３０に亘る温度の均一性をよりよく制御する。
【００５２】
図５Ｋは、チャンネル２１２が同心円状に配置される他の実施形態を示す。外側ゾーン５２０内の４個のチャンネル２１２は同心アークに配置される。外側ゾーン５２０内の各々のチャンネル２１２の冷却流体入口３２０は、冷却流体出口３１０から遠位に配置される。内側ゾーン５１０は４個のチャンネル２１２を有する。各チャンネル２１２は、互いに約９０度の向きに配置された頂点上に配置された中心に近接した冷却流体入口３２０と冷却流体出口３１０によりハート上に形成される。各チャンネル２１２は、隣接チャンネルとは反対方向に流れる。
【００５３】
図面を参照して上記で論じたチャンネル２１２は、内部に１以上の溝及び／又はフィンを有し、流体の流れ又は熱伝導を促進することができる。図６Ａ〜図６Ｄは、２つ以上の溝を有する冷却プレート２１０内の単一のチャンネル２１２の例示的な断面図を示す。冷却プレートは上面６１０を有し、その中に溝６１０が形成される。カバープレート６６６は溝６１０を流体的にシールし、チャンネル２１２内の冷却流体が溝から漏れるのを防止し、これにより、全ての冷却流体が冷却流体出口３１０に導かれる。図６Ａ〜図６Ｄは、チャンネル２１２のいずれの場所においても取ることができる典型的な断面図である。チャンネル２１２の一例（例えば、図６Ａに示される）は、冷却プレート２１０内の全てのチャンネル２１２に亘って用いられる溝６１０を有することができると意図される。しかしながら、１のチャンネル２１２内の１の溝６１０の構成及び輪郭は、隣接するチャンネル２１２内の、又は冷却プレート２１０内の同じチャンネル２１２に沿った異なる位置における溝６１０の構成及び輪郭と異なる可能性があることを当業者は理解すべきである。溝６１０は、冷却プレート２１０のエリア内の溝６１０に利用可能なスペースを考慮して、予想される熱負荷を処理するように構成することができる。
【００５４】
図６Ａは、３個の溝６１０を有するチャンネル２１２の一例を示す。チャンネル２１２を含む溝６１０は、第１溝６１１と、第２溝６１２と、第３溝６１３を有することができる。溝６１０は、フィン６５０（例えば、第２溝６１１と第２溝６１２とを分離する第１フィン６５１、第２溝６１２と第３の溝６１３とを分離する第２フィン６５２）により分離される。第２フィン６５２と第１フィン６５１は冷却プレート２１０の上面６９０と実質的に平坦に延び、これにより、カバープレート６６６が実質的にフィン６５０に対してシールすることが可能になる。このように、フィン６５０は、第１溝６１１、第２溝６１２、及び第３溝６１３の各々の間の流れを妨げるように作用するだけでなく、対流面積の増加による熱伝導速度を増加により冷却プレート２１０から熱を放散させるのも助ける。一実施形態では、冷却プレート２１０は、約０．６インチ〜約０．７インチ（例えば、０．６６インチ）の断面幅６８５を有する３個の溝６１０を有することができる。各々の溝は、約０．１００インチ〜約０．２インチ（例えば、約０．１２５インチ）の幅（図６Ｂの６８３）、及び約０．７インチから約０．８インチ（例えば、約０．７５インチ）の深さ（図６Ｂの６８１）を有することができる。
【００５５】
図６Ｂは、フィン６５０により分離された３個の溝６１０を有するチャンネル２１２の第２例を示す。第１溝６１１と第２溝６１２を分離するフィン６５０の第１フィン６５３と、第２溝６１１と第３溝６１３を分離するフィン６５０の第２フィン６５４は、上面６９０まで延びておらず、間隙６８４がフィン６５０と溝６１０をシールするカバープレート６６６の間に配置される。冷却流体は、第１溝６１１から第２溝６１２又は第３溝まで間隙６８４を介して流れ、フィン６５０を介した熱対流から利益を得ながら、冷却流体が溝６１０間を流れることを可能にすることにより、より均一な冷却を提供する。
【００５６】
図６Ｃは、フィン６５６により分離された２つの溝６１０を有するチャンネル２１２の第３例を示す。溝６１０は、第１溝６２１、第２溝６２２、及び第２溝から第１溝を分離するフィンを含むことができる。間隙６２３がフィン６５６と冷却プレート２１０の上面６９０の間に配置され、カバープレート６６６がチャンネル２１２をシールしながらフィン６５６をシールするのを防止する。従って、対流面積の増大による熱伝導速度の増大により、冷却プレート２１０から熱を放散させながら、フィン６５６は第１溝６１１から第２溝６１２の冷却流体の流れを可能にする。一実施形態では、冷却プレート２１０は、約０．３５インチ〜約０．７インチ（例えば、０．６インチ）の断面幅６８５を有する２つの溝６１０を有することができる。各々の溝は、約０．１００インチ〜約０．３インチ（例えば、約０．１５インチ）の幅（図６Ｂの６８３）、及び約０．７インチ〜約０．８インチ（例えば、約０．７５インチ）の深さ（図６Ｂの６８１）を有することができる。
【００５７】
図６Ｄは、フィン６５７により分離された２つの溝６１０を有するチャンネル２１２の第４例を示す。フィン６５７は上面６９０と実質的に平坦に延び、これにより、カバープレート６６６がフィン６５７をシールし、第１溝６２１の各々と第２溝の間の流体の流れを防止する。
【００５８】
図７は、冷却プレートを用いてシャワーヘッドアセンブリを冷却するための方法７００を示す。方法７００はブロック７１０で始まり、ここで冷却流体は第１位置で第１外側チャンネルに流入する。ブロック７２０で、冷却流体は第２位置で第２外側チャンネルに流れ込み、ここで第１及び第２外側チャンネル内のフローは互いに独立して制御可能であり、チャンネルが互いに隣接するとき反対方向に流れる。ブロック７３０で、冷却流体は、第３位置で第３内側チャンネルに流入し、ここで内側チャンネルは第１及び第２外側チャンネルの組み合わせにより包囲される。ブロック７４０で、冷却流体は第４位置で第４内側チャンネルに流入し、ここで第１内側チャンネルと第２内側チャンネルは二重螺旋を形成し、第１及び第２内側チャンネルのフローは互いに独立して制御可能であり、隣接する他のすべてのチャンネルと反対方向に流れる。
【００５９】
有利なことに、冷却プレート２１０、３００、４００を用いてガス分配アセンブリ１３０を冷却することにおける改善は、ガス分配アセンブリ１３０を横方向に亘るより低い最高温度及びより良好な均一性といった結果をもたらす。例えば、従来の冷却プレート設計において、ガス分配プレートは、約±１７℃の温度変動をもたらす可能性がある。冷却プレート３００の一実施形態では、ＧＤＰ２６０の温度変動は、±約１２℃である可能性がある。冷却プレート４００の他の実施形態では、ＧＤＰ２６０の温度変動は、±約５℃である可能性がある。
【００６０】
また、冷却プレート３００、４００を用いたガス分配アセンブリ１３０の冷却の改善は、カバープレート６６６にも及ぶ。従来の冷却プレート設計では、カバープレート６６６の温度変動は、約±１７℃である可能性がある。冷却プレート３００の一実施形態では、カバープレート６６６の温度変動は、±約１３℃である可能性がある。冷却プレート４００の他の実施形態では、カバープレート６６６の温度変動は±約７℃である可能性がある。
【００６１】
前述の例は例示的であり、限定的ではないことが当業者には理解されるであろう。本明細書を読み、図面を検討すれば当業者には明らかなすべての置換、改良、均等物、及び改造は本開示の真の精神及び範囲内に含まれることが意図される。従って、添付の特許請求の範囲は、これらの開示の真の精神及び範囲内に含まれるような全てのそのような修正、置換、及び均等物を含むと意図される。
【００６２】
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は、その基本的な範囲から逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。
【図１】
2019537267.tif 000003
【図２】
2019537267.tif 000004
【図３】
2019537267.tif 000005
【図４】
2019537267.tif 000006
【図５Ａ】
2019537267.tif 000007
【図５Ｂ】
2019537267.tif 000008
【図５Ｃ】
2019537267.tif 000009
【図５Ｄ】
2019537267.tif 000010
【図５Ｅ】
2019537267.tif 000011
【図５Ｆ】
2019537267.tif 000012
【図５Ｇ】
2019537267.tif 000013
【図５Ｈ】
2019537267.tif 000014
【図５Ｉ】
2019537267.tif 000015
【図５Ｊ】
2019537267.tif 000016
【図５Ｋ】
2019537267.tif 000017
【図６Ａ】
2019537267.tif 000018
【図６Ｂ】
2019537267.tif 000019
【図６Ｃ】
2019537267.tif 000020
【図６Ｄ】
2019537267.tif 000021
【図７】
2019537267.tif 000022
【国際調査報告】
2019537267.tif 000023
2019537267.tif 000024
2019537267.tif 000025